第3章 直流電機電力拖動_hq

1、第第3 3章章 直流電機的電力拖動直流電機的電力拖動圖3.1 典型電力拖動系統(tǒng)的組成框圖v電力拖動系統(tǒng)的基本問題，包括：電力拖動的動力學方程式及相關(guān)問題、電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行條件；v各類典型機械的負載轉(zhuǎn)矩特性； v由他勵直流電動機組成電力拖動系統(tǒng)的起、制動與調(diào)速方法及分析。 內(nèi)容簡介3.1 電力拖動系統(tǒng)的動力學方程式A、單軸電力拖動系統(tǒng)的動力學方程式圖3.2 單軸電力拖動系統(tǒng)的示意圖單軸電力拖動系統(tǒng)的動力學方程式可由下式給出：dtdJTTLem(3-1)其中，轉(zhuǎn)動慣量 由下式給出：JgGDDgGmJ44222(3-2)考慮到機械角速度 與轉(zhuǎn)速 之間的關(guān)系： ，于是有：60/2 n2375em

2、LGD dnTTdt(3-3)對于實際電力拖動系統(tǒng)，考慮到（1）電機可能正、反轉(zhuǎn)運行；（2）電機可能運行在電動機或發(fā)電機運行狀態(tài)；（3）負載轉(zhuǎn)矩也可能由上升過程中的制動性變?yōu)橄陆颠^程中的驅(qū)動性轉(zhuǎn)矩。因此，使用上式時需注意正、負號問題。正負號一般按如下慣例選取正負號一般按如下慣例選?。海? 1）首先取轉(zhuǎn)速的方向為正方向；）首先取轉(zhuǎn)速的方向為正方向；（2 2）對于電磁轉(zhuǎn)矩，若與相同，則?。τ陔姶呸D(zhuǎn)矩，若與相同，則取“+”+”；反之，若與方；反之，若與方 向相反，則取向相反，則取“-”-”；（3 3）對負載轉(zhuǎn)矩而言，若與方向相反，則取）對負載轉(zhuǎn)矩而言，若與方向相反，則取 “ “+”+”；方向相；方

3、向相 同則取同則取“-”-”；根據(jù)上述正負號選取規(guī)則，式（根據(jù)上述正負號選取規(guī)則，式（3-33-3）運算結(jié)果存在下列三種情況：）運算結(jié)果存在下列三種情況：1.1.若若 時，則時，則 = =常值，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行；常值，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行；2.2.若若 時，則時，則 ，電機處于加速狀態(tài)；，電機處于加速狀態(tài)；3.3.若若 時，則時，則 ，電機處于減速狀態(tài)。，電機處于減速狀態(tài)。 emLTTnemLTT0dndtemLTT0dndt 考慮到對實際的大多數(shù)拖動系統(tǒng)而言，在電機和生產(chǎn)機械之間存在諸如減速箱、皮帶等傳動機構(gòu)，構(gòu)成了所謂的多軸拖動系統(tǒng)多軸拖動系統(tǒng)。在使用式（3-3）時需進行多軸系統(tǒng)到單軸系統(tǒng)的折算，具體

4、折算方法介紹如下： B、多軸電力拖動系統(tǒng)的折算a a、折算的概念、折算的概念 圖3.3 多軸電力拖動系統(tǒng)的簡化折算的原則是：確保折算前后系統(tǒng)所傳遞的功率或系統(tǒng)儲存的動能折算的原則是：確保折算前后系統(tǒng)所傳遞的功率或系統(tǒng)儲存的動能不變。不變。b b、折算的方法、折算的方法 機械機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩折算機械機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩折算 折算時需考慮電動機和生產(chǎn)機械的工作狀態(tài)。現(xiàn)分析如下： （1）當電動機驅(qū)動機械負載電動機驅(qū)動機械負載時，傳動機構(gòu)的損耗是由電動機承擔的。于是有：LtLLTT根據(jù)上式，折算后的負載轉(zhuǎn)矩為：()()LLLLtttLLTTTTnjn（3-4）式中， 為傳動機構(gòu)總的轉(zhuǎn)速比； 為工作機構(gòu)輸出軸的機械角速

5、度； 為工作機構(gòu)的實際負載轉(zhuǎn)矩； 為傳動機構(gòu)的總效率。 LnjnLLTt（2）當生產(chǎn)機械驅(qū)動電動機生產(chǎn)機械驅(qū)動電動機時，傳動機構(gòu)的損耗是由生產(chǎn)機械承擔的。于是有：LLLtTT 根據(jù)上式，折算后的負載轉(zhuǎn)矩為：()LtLtLLTTTj（3-5）2）直線作用力的折算直線作用力的折算折算時同樣應(yīng)考慮功率的流向問題。圖3.4給出了電機拖動起重機負載實現(xiàn)升降運動的示意圖。 圖3.4 電機帶動起重機負載的示意圖（1）當重物提升時，傳動機構(gòu)的損耗自然由電動機承擔。于是有：LtLLTF v又 ，則上式變?yōu)椋?60n 609.552LLLLLttF vF vTnn （3-6）（2）當重物下放時，傳動機構(gòu)的損耗由工

6、作機構(gòu)承擔。于是有：LLLtTF v 式中， 為重物提升時傳動機構(gòu)的效率。t將角速度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系代入上式得：609.552LLtLLtLF vF vTnn（3-7）式中， 為重物下放時傳動機構(gòu)的效率。t 重物下放時傳動機構(gòu)的效率 與同一重物提升時傳動機構(gòu)的效率 之間滿足下列關(guān)系式：tt12tt （3-8）3）慣量與飛輪矩慣量與飛輪矩 的折算的折算2GD按照折算前后系統(tǒng)儲存的動能保持不變的原則，于是有：2222211221111122222MLLJJJJJ （3-9）則折算后的轉(zhuǎn)動慣量為：2221212LMLJJJJJ（）（）（）將 代入上式，則折算后的飛輪矩為： 24GDJg222221122

7、12()()()LLMLG DG DG DGDGDnnnnnn即：222221122222112()LLMG DG DG DGDGDjj jj（3-10）4）直線運動的質(zhì)量折算直線運動的質(zhì)量折算按照折算前后儲存的動能保持不變的原則，有：221122MLLJm v 將 ， 代入上式，則有：24MMGDJg （）260n 22222260()()365LLLLMG vG vGDnn （3-11） 通過上述折算，便可以將多軸拖動系統(tǒng)（包括旋轉(zhuǎn)及直線運動）折算為單軸拖動系統(tǒng)。然后借助于單軸拖動系統(tǒng)的動力學方程式對多軸拖動系統(tǒng)的靜、動態(tài)問題進行分析研究。3.2 各類生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性定義： 生產(chǎn)機械

8、的負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系 即為生產(chǎn)機生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性械的負載轉(zhuǎn)矩特性，它與電動機的機械特性相對應(yīng)。()Lnf T大多數(shù)生產(chǎn)機械可歸納為： A、恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特性、恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特性特點： 負載轉(zhuǎn)矩不受轉(zhuǎn)速變化的影響。在任何轉(zhuǎn)速下，負載轉(zhuǎn)矩總是保持恒定或大致恒定。 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特性如圖3.6所示。圖3.6 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特性 由圖由圖3.63.6可見，反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向總是相反，可見，反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向總是相反，亦即負載轉(zhuǎn)矩總是阻礙電機的運動。亦即負載轉(zhuǎn)矩總是阻礙電機的運動。 位能性恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特性如圖3.7所示。圖3.7 位能性

9、恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特性 由圖由圖3.73.7可見，位能性恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速方向的改變而可見，位能性恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速方向的改變而改變。無論電機正、反轉(zhuǎn)，負載轉(zhuǎn)矩始終為單一方向。改變。無論電機正、反轉(zhuǎn)，負載轉(zhuǎn)矩始終為單一方向。B、風機與泵類負載的轉(zhuǎn)矩特性、風機與泵類負載的轉(zhuǎn)矩特性特點：2LTKn圖3.8給出了通風機類負載的轉(zhuǎn)矩特性。圖3.8 通風機類負載的轉(zhuǎn)矩特性C、恒功率負載的轉(zhuǎn)矩特性、恒功率負載的轉(zhuǎn)矩特性特點：1LTkn圖3.9給出了恒功率負載的轉(zhuǎn)矩特性。圖3.9 恒功率負載的轉(zhuǎn)矩特性 實際生產(chǎn)機械大都是上述典型負載特性的組合。如實際的通風機負載轉(zhuǎn)矩特性可表示為：20LTTKn（3

10、-13）上式可用圖3.10所示曲線表示之。圖3.10 實際通風機的轉(zhuǎn)矩特性 對于機床的刀架平移機構(gòu)，其特性為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性、通風機類負載特性的組合，且低速時負載轉(zhuǎn)矩加大3.3 電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行條件 A、電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行點定義：定義： 根據(jù)根據(jù) 可知，當可知，當 時，則時，則 = = 常值。若將電動常值。若將電動機的機械特性與負載的轉(zhuǎn)矩特性繪制在同一坐標平面上，則兩條曲機的機械特性與負載的轉(zhuǎn)矩特性繪制在同一坐標平面上，則兩條曲線的交點必為電力拖動系統(tǒng)的線的交點必為電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行點穩(wěn)態(tài)運行點（見下圖）。（見下圖）。 2375emLGD dnTTdtemLTTn圖3.12

11、電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行點B、電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行條件 定義：定義： 對于穩(wěn)態(tài)運行的電力拖動系統(tǒng)，若受到外部擾動（如電網(wǎng)電對于穩(wěn)態(tài)運行的電力拖動系統(tǒng)，若受到外部擾動（如電網(wǎng)電壓的波動，負載轉(zhuǎn)矩的變化等）后系統(tǒng)偏離原來的穩(wěn)態(tài)運行點。一壓的波動，負載轉(zhuǎn)矩的變化等）后系統(tǒng)偏離原來的穩(wěn)態(tài)運行點。一旦干擾消除，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(wěn)態(tài)運行點，則稱旦干擾消除，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(wěn)態(tài)運行點，則稱系統(tǒng)是穩(wěn)定系統(tǒng)是穩(wěn)定的的；否則，；否則，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。 圖3.13說明了電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定的概念。圖3.13 電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行分析系統(tǒng)要穩(wěn)態(tài)運行，電機的機械特性與負載的轉(zhuǎn)矩特性必須有交點，在交點

12、A處()()emALATnT n2375emLGD dnTTdt(3-14)將式(3-3)在穩(wěn)態(tài)運行點A處線性化，設(shè)轉(zhuǎn)速增量為n,則將Annn代入式(3-3)，然后減去式(3-14)，便可獲得線性化的方程2()()()375AemALALd nnGDTnnT nndt()()emALATnT n(3-3)2()()375AAAAememLLnnnnTTTTGD dnnnndtnnnn微分方程的特征根由下式給出2375AAemLnnTTGDnn2()/375AAemLnnTTGDnn即由自動控制理論(微分方程)的基本知識可知，若希望系統(tǒng)穩(wěn)定，則系統(tǒng)的特征值應(yīng)位于復平面的左半平面。即00AAAAe

13、memLLnnnnTTTTnnnn上述條件的物理意義上述條件的物理意義是：若在電機的機械特性與負載的轉(zhuǎn)矩特性的交點附近轉(zhuǎn)速有所升高，則電磁轉(zhuǎn)矩的增加必須小于負載轉(zhuǎn)矩的增加，只有這樣，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速才可能有所下降，最終回到原來的穩(wěn)定運行點。此時整個拖動系統(tǒng)是穩(wěn)定運行的。若電磁轉(zhuǎn)矩的增加超過負載負載轉(zhuǎn)矩的增加，系統(tǒng)必然會進一步加速并脫離原來的穩(wěn)定運行點，最終導致系統(tǒng)部穩(wěn)定。AAemLnnTTnn電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件為：電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件為：（3-15）穩(wěn)定運行的充要條件：穩(wěn)定運行的充要條件：LemTT()emLemLdTdTTTdndn處擾動去除后，能夠自動回復擾動去除后，能夠自

14、動回復物理意義物理意義：當在A點處于穩(wěn)定運行系統(tǒng)受到外部擾動使得轉(zhuǎn)速增加時，負載轉(zhuǎn)矩的增加應(yīng)大于電磁轉(zhuǎn)矩的增加，系統(tǒng)才能夠減速，回到原來的運行點。此時，系統(tǒng)在A點處是穩(wěn)定運行的。nTemA0TATBBTAATCC1111()LemLemLTTdTdTTTdndnKK處為負載的轉(zhuǎn)矩特性曲線在A點的斜率(切線)為電機的機械特性曲線在A點的斜率(切線)TKLTK電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件充分必要條件是： Tem=TL。只有在兩條機械特性的交點處，才能實現(xiàn) 轉(zhuǎn)矩平衡。該點稱為工作點。 在工作點處，dndTdndTLem簡便判定法：做一條水平直線于工作點上方，分別與兩條機械特性相交。比較兩個轉(zhuǎn)矩

15、的增量，若dTem dTL，則系統(tǒng)穩(wěn)定。否則，系統(tǒng)不穩(wěn)定。在工作點上方做一條水平直線，分別交Tem-n 曲線于A點，TL-n 曲線于B點，若A點在B點左側(cè)，則系統(tǒng)穩(wěn)定，否則，系統(tǒng)不穩(wěn)定。 .nTemT-n曲線TL-n曲線.dndTemdTLAB.3.4 直流電力拖動系統(tǒng)動態(tài)過程的一般分析與計算 動態(tài)過程(或過渡過程): 電力拖動系統(tǒng)從一種穩(wěn)態(tài)向另一種穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的過程(如起動、調(diào)速與制動），稱為動態(tài)過程動態(tài)過程。 對電力拖動系統(tǒng)動態(tài)過程的研究主要集中在對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及電流在過渡過程中隨時間的變化規(guī)律，即 ， （或 ），這些規(guī)律是正確選擇或校驗電機及其定額的依據(jù)。( )nf t( )aIf t( )

16、emTf tA、電力拖動系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型a、直流電動機的微分方程式直流電動機的微分方程式 圖3.14 他勵直流電動機的動態(tài)等效電路根據(jù)他勵直流電動機的動態(tài)等效電路圖3.14和 KVL，寫出電樞回路的微分方程式為：1( )( )( )( )( )aaaaaedi tu tLRi te tdte tCn（3-16）勵磁回路的微分方程式為：( )fffffdiutLR idt（3-17）機械系統(tǒng)的動力學方程式為：1emLemTadJBTdtCi （3-18）b、直流電動機的傳遞函數(shù)模型直流電動機的傳遞函數(shù)模型 對微分方程式（3-16）和式（3-18）取拉氏變換，可得直流電動機的傳遞函數(shù)： 1( )

17、( )( )eaaU sCsIsL sR（3-19）1( )( )( )TaLC IsT ssJsB（3-20）考慮到激磁電流固定，上式中的 和 為常數(shù)。602eeCCTTCC由此獲得直流電動機的傳遞函數(shù)框圖如圖3.15所示。 圖3.15 直流電機的傳遞函數(shù)框圖（電樞控制方式）根據(jù)圖3.15可分別求出傳遞函數(shù)為： 21011( )( )()LTTaaeTCsU sL JsL BJR sRBC C（3-21）12011()( )( )()aLUaaeTL sRsT sL JsL BJR sRBC C（3-22）若忽略粘性阻尼系數(shù)，則式（3-21）和（3-22）可進一步簡化為： 2101( )(

18、)( )1LeIMaMTCsG sU sT T sT s120(1)( )( )( )1aeTIILMaMuT sR C CsGsT sT T sT s（3-23）（3-24） 其中， 為電樞回路的電磁時間常數(shù)電磁時間常數(shù)；定義 為電力拖動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)機電時間常數(shù)。RLTaa22375MeTGD RTC C忽略磁路飽和，則可利用疊加原理求得系統(tǒng)總的響應(yīng)為：1( )( )( )( )( )IIILsG s U sGs T s（3-25）c、直流電動機的狀態(tài)空間模型直流電動機的狀態(tài)空間模型 取 和 為狀態(tài)變量，則將微分方程式寫成如下矩陣方程形式，即可獲得他勵直流電動機的狀態(tài)空間描述：( )a

19、i t( ) t111010eaaaaaLTCRuiiLdLLTdtCBJJJ（3-26）矩陣方程（3-26）可用下面標準形式表示為： XAXBU（3-27）其中， ， 為狀態(tài)變量； 為輸入矢量。1,aLXiUuTXU1eaaTCRLLACBJJ1010aLBJB、直流電力拖動系統(tǒng)動態(tài)過程的一般分析計算a、直流電動機動態(tài)過程的一般分析計算直流電動機動態(tài)過程的一般分析計算 電力拖動系統(tǒng)存在下列兩個時間常數(shù)：（1）電磁時間常數(shù)： ；（2）機電時間常數(shù)：在對電力拖動系統(tǒng)進行分析時，可根據(jù)實際系統(tǒng)按下列兩種情況進行分析： RLTaa22375MeTGD RTC C1 1）忽略電磁時間常數(shù)（即僅考慮機械

20、慣量）的過渡過程分析）忽略電磁時間常數(shù)（即僅考慮機械慣量）的過渡過程分析在這種情況下，電力拖動系統(tǒng)的微分方程式變?yōu)椋?2375aaeaemLTaUERIC nRIGD dnTTCIdt（3-28） 現(xiàn)假定系統(tǒng)由某一穩(wěn)態(tài)A向另一穩(wěn)態(tài)B過渡（見圖3.16a），要求計算過渡過程中轉(zhuǎn)速與電樞電流隨時間的變化規(guī)律，即： 與 。( )nf t( )aIf t（1 1）電樞電流的變化規(guī)律）電樞電流的變化規(guī)律( )aIf t由式（3-28）中的第1個方程得：1aeURInC（3-29）將其代入式（3-28）的第2個方程得：22375aaLaBMTeTdIdITGD RIITCC Cdtdt（3-30）其中，

21、為對應(yīng)于 （即B點）的穩(wěn)態(tài)負載電流；LBTTICLT圖3.16 他勵直流電動機的過渡過程曲線式（3-30）可整理為：1aBaMMdIIIdtTT利用三要素法便可求得電樞電流的變化規(guī)律為：( )()tTMaBABItIIIe（3-31）式（3-31）可用圖3.16b所示曲線表示之。（2 2）轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律）轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律( )nf t將式（3-31）代入式（3-29）得：111( )()tTMBABeeeURIURIURIn teCCC（）即:()tTMBABnnnne（3-32）式（3-32）可用圖3.16c所示曲線表示之。2 2）同時考慮機械慣量和電磁時間常數(shù)的過渡過程分析）同時考慮機械慣量

22、和電磁時間常數(shù)的過渡過程分析在這種情況下，電力拖動系統(tǒng)的微分方程式變?yōu)椋?2375aaaaaaaeemLTadIdIURILERILC ndtdtGD dnTTCIdt（3-36）現(xiàn)計算過渡過程中轉(zhuǎn)速與電樞電流隨時間的變化規(guī)律： ， 。( )nf t( )aIf t由式（3-36）的第2式可得：2375aBTGDdnIICdt（3-37）將式（3-36）的第1式減去穩(wěn)態(tài)電勢平衡方程式： 得：1BeBURIC n()()0aaaBeBdILR IICnndt將式（3-37）代入上式并整理得：22aMMBd ndnT TTnndtdt（3-38）式（3-38）即為他勵直流電動機拖動系統(tǒng)的一般微分方

23、程。式（3-38）對應(yīng)的特征方程為：210aMMT TT 相應(yīng)的特征根為：1,2411122aaaMTTTT 根據(jù)時間常數(shù)的大小，現(xiàn)分兩種情況進行討論：（i）當 時， 為一對相異的負實根，則微分方程（3-38）的一般解可表示為：4MaTT1 2，1212ttBnc ec en（3-39）根據(jù)上式繪出過渡過程中曲線如圖圖3.17a所示。圖3.17 他勵直流電動機的過渡過程曲線（ii）當 時， 為一對具有負實部的共軛實根： ，其中， ， 。4MaTT1 2，1 2j ，12aT4112aaMTTT此時，微分方程（3-38）的一般解可表示為：sin()tBnAetn根據(jù)上式繪出過渡過程中的曲線 如圖

24、圖3.17b所示。（3-43）( )nf t3.5 直流電動機的起動A、對直流電動機起動過程的一般要求 起動轉(zhuǎn)矩應(yīng)足夠大； 起動電流要?。?起動設(shè)備簡單、經(jīng)濟與可靠。 起動時：轉(zhuǎn)速 ，相應(yīng)的感應(yīng)電勢 ，起動電流 較大。一般情況下， 。0n 0aeEC n NstaUIRNstII)2010(為此，起動時要求滿足：（1） ；（2） 。(2 2.5)stNII(1.11.2)stNTTB、他勵直流電動機的常用的起動方法 為了獲得足夠大的起動轉(zhuǎn)矩的同時降低起動電流，起動時一般應(yīng)按照如下為了獲得足夠大的起動轉(zhuǎn)矩的同時降低起動電流，起動時一般應(yīng)按照如下步驟進行：（步驟進行：（1 1）首先在勵磁繞組中加入

25、額定勵磁電流，以建立滿載主磁場；（）首先在勵磁繞組中加入額定勵磁電流，以建立滿載主磁場；（2 2）待主磁場建立之后再加入電樞電壓。待主磁場建立之后再加入電樞電壓。a、電樞回路串電阻起動電樞回路串電阻起動圖3.19a、b分別給出了他勵直流電動機采用兩級電阻起動時的電路圖和相應(yīng)的機械特性。3.18 直流電動機人工起動器的電氣原理圖圖3.19 直流電機分兩級起動的機械特性b、降壓起動降壓起動 圖3.20給出了降壓起動過程中他勵直流電動機的機械特性。其起動過程與電樞回路串電阻起動過程類似。圖3.20 他勵直流電動機的降壓起動過程降壓起動的優(yōu)點是，起動電流小，起動過程平滑，能量消耗少，因降壓起動的優(yōu)點是

26、，起動電流小，起動過程平滑，能量消耗少，因而在直流電力拖動系統(tǒng)中得到廣泛采用。而在直流電力拖動系統(tǒng)中得到廣泛采用。1. 調(diào)速的技術(shù)指標(1) 調(diào)速范圍D調(diào)速范圍是指電動機在額定負載時，最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比。用符號D表示，即NTTnnDminmax最高轉(zhuǎn)速nmax受電動機換向能力和機械強度的限制。最低轉(zhuǎn)速nmin受靜差率指標的限制。 nmin不可過低。一般取為電動機的額定轉(zhuǎn)速nN。弱磁調(diào)速除外。.我們希望調(diào)速范圍越大越好！我們希望調(diào)速范圍越大越好！n0TTNnn0nmaxnnnminn.3.6 直流電機的調(diào)速(2) 靜差率（相對穩(wěn)定性）靜差率是指電動機帶額定負載時的轉(zhuǎn)速降n與對

27、應(yīng)機械特性上理想空載轉(zhuǎn)速n0之比。用符號表示，即表明負載變化引起轉(zhuǎn)速變化的大小程度，靜差率與調(diào)速范圍是互相聯(lián)系的兩項指標，系統(tǒng)可能達到最低速 nmin 決定于低速特性的靜差率。NNTTTTnnnnn0000TeNTen0an0bab nNa nNb nO不同轉(zhuǎn)速下的靜差率靜差率與機械特性硬度的區(qū)別靜差率是反映運行轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定的一個指標。靜差率靜差率越小，因負載波動而引起的轉(zhuǎn)速變化就越小，越小，因負載波動而引起的轉(zhuǎn)速變化就越小，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性就越好。轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性就越好。注意：注意：靜差率不僅與機械特性的硬度有關(guān)， 還與理想空載轉(zhuǎn)速n0的高低有關(guān)。相同的硬度，而不同的理想空載轉(zhuǎn)速，其靜差率是

28、不一樣的。因為當n為常數(shù)時，n0增加，則下降 ；反之亦然。.maxmaxmax1nn nmax ； ； n。采用轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，是擴大調(diào)速范圍的最好方法。當n0為常數(shù)時，n，n，。而是越小越好是越小越好。min0min0max1nnnnnnmin0min0max1nnnnnnnmin0maxminmaxnnD.擴大調(diào)速范圍D的途徑：.maxmaxNnnn1(1)(1)DD表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對于同一個定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)， nN 值一定，由式可見，如果值

29、一定，由式可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求對靜差率要求越嚴，即要求 值越小時，值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。 結(jié)論 一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。若D和已定，則例題例題 某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為，某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為，額定速降額定速降 nN = 115r/min，當要求靜差率，當要求靜差率 30%時，允許多大的調(diào)速范圍？如果時，允許多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率要求靜差率 20%，則調(diào)速范圍是多少？，則調(diào)速范圍是多少？如果希望

30、調(diào)速范圍達到如果希望調(diào)速范圍達到10，所能滿足的，所能滿足的靜差率是多少？靜差率是多少？解解 要求 30%時，調(diào)速范圍為 若要求 20%，則調(diào)速范圍只有若調(diào)速范圍達到10，則靜差率只能是NN1430 0.35.3(1)115 (10.3)nDn1 . 3)2 . 01 (1152 . 01430DNNN10 1150.44644.6%1430 10 115D nnD n（3）平滑性1iinn定義：相鄰兩級轉(zhuǎn)速中，高一級轉(zhuǎn)速ni與低一級轉(zhuǎn)速ni-1之比，用平滑系數(shù) 表示，即越大，調(diào)速的平滑性越差。越接近1，調(diào)速的平滑性越好。1為無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)。.（4）調(diào)速時的容許輸出（或調(diào)速時的功

31、率與轉(zhuǎn)矩）2. 調(diào)速的經(jīng)濟指標調(diào)速的經(jīng)濟性主要是指調(diào)速裝置的初投資、電能損耗及運轉(zhuǎn)維修費用。 .電動機帶負載運行時的輸出功率和軸上的輸出轉(zhuǎn)矩均由負載的大小來決定由負載的大小來決定。容許輸出是指電動機在保持額定電流的條件下，在調(diào)速過程中電動機所能輸出的功率和轉(zhuǎn)矩。電動機在采用電樞串電阻和降壓調(diào)速時為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。電動機在采用弱磁調(diào)速時為恒功率調(diào)速方式恒功率調(diào)速方式。電動機轉(zhuǎn)矩必須與負載轉(zhuǎn)矩的配合得當，電動機轉(zhuǎn)矩必須與負載轉(zhuǎn)矩的配合得當，才能充分使用。才能充分使用。.二、電樞回路串電阻調(diào)速工作點變動情況：a b c。電樞回路串電阻，只能在額定轉(zhuǎn)速（基速）以下調(diào)速，一般稱為由基速向下

32、調(diào)速基速向下調(diào)速。.特點特點： 機械特性變軟，受負載波動影響大； 在空載或輕載時，調(diào)速范圍?。?有級調(diào)速； 損耗大，電動機效率低。它應(yīng)用于對調(diào)速性能要求不高的場合（如起重機、電車等）。TCCRRCUnNTeaNeN2 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。TnabcTLRaRa+R1TRa+R2三、降低電源電壓調(diào)速工作點變動情況：a ab。特點特點： 基速向下調(diào)速； 機械特性的硬度不變，速度穩(wěn)定性好； 可實現(xiàn)無級調(diào)速； 損耗小，電動機效率高。TCCRCUnNTeaNe2 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。TnaabTLUNU1U2.它應(yīng)用于對調(diào)速性能要求高的場合（如造紙機、軋鋼機等）。四、弱磁調(diào)速特點特點： 基速向上調(diào)速； 可實現(xiàn)無

33、級調(diào)速； 損耗小，電動機效率高。TCCRCUnTeaeN2 恒功率調(diào)速方式。 55.955.9nInCRIUCNeaNNe55.955.9nICnTTPNT常數(shù)NaNNaNNIEIRIU)(endTnaabTLN21調(diào)速方式的選擇 電動機在額定轉(zhuǎn)速下容許輸出的功率主要取電動機在額定轉(zhuǎn)速下容許輸出的功率主要取決于電機的發(fā)熱，而發(fā)熱又主要取決于電樞電流決于電機的發(fā)熱，而發(fā)熱又主要取決于電樞電流在調(diào)速過程中，只要在不同轉(zhuǎn)速下電流不超過額在調(diào)速過程中，只要在不同轉(zhuǎn)速下電流不超過額定值定值IN，電機長時間運行，其發(fā)熱不會超過允許，電機長時間運行，其發(fā)熱不會超過允許的限度，因此，額定電流是電機長期工作的利

34、用的限度，因此，額定電流是電機長期工作的利用限度。電機在調(diào)速過程中，如在不同轉(zhuǎn)速下都能限度。電機在調(diào)速過程中，如在不同轉(zhuǎn)速下都能保持電流保持電流Ia=IN，則電機利用充分，運行安全。從，則電機利用充分，運行安全。從合理使用電動機的角度考慮，提出了調(diào)速方式與合理使用電動機的角度考慮，提出了調(diào)速方式與負載類型相配合的問題。負載類型相配合的問題。1.恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 調(diào)速過程中保持調(diào)速過程中保持Ia=IN，=N=常數(shù)，則常數(shù)，則 T=常數(shù)，電動機常數(shù)，電動機允許輸出轉(zhuǎn)矩不變的調(diào)速方法稱恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。在實際調(diào)速時允許輸出轉(zhuǎn)矩不變的調(diào)速方法稱恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。在實際調(diào)速時改變電動機供電電壓和改變電樞回路串入

35、的電阻均屬恒轉(zhuǎn)矩改變電動機供電電壓和改變電樞回路串入的電阻均屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。電動機輸出功率調(diào)速。電動機輸出功率P=T，T=常數(shù)常數(shù), P ,即電動機即電動機轉(zhuǎn)速越低，輸出功率越小轉(zhuǎn)速越低，輸出功率越小,P 。 TaTNNTCICIconst調(diào)速方式是在IaIN不變的前提下，用來表征電動機采用某種調(diào)速方法時的負載能力或允許輸出的性能指標。2. 恒功率調(diào)速恒功率調(diào)速 調(diào)速中，保持調(diào)速中，保持Ia=IN，若，若n，P =常數(shù)。在保持電樞常數(shù)。在保持電樞電流接近或等于額定值條件下，調(diào)速過程中電動機允許輸電流接近或等于額定值條件下，調(diào)速過程中電動機允許輸出功率不變的調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。如改變電動機主出

36、功率不變的調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。如改變電動機主磁通磁通 的調(diào)速方法就屬于恒功率調(diào)速方法。的調(diào)速方法就屬于恒功率調(diào)速方法。11 NTaTITCIC CCnn1aaNaNeeUR IUR InCCCconstPnnCnnCnTnTPNNNN95501955019550955011調(diào)速方式是在IaIN不變的前提下，用來表征電動機采用某種調(diào)速方法時的負載能力或允許輸出的性能指標。匹配匹配 最好的配合方式為：恒功率負載，采用最好的配合方式為：恒功率負載，采用恒功率的調(diào)速方法。恒功率的調(diào)速方法。(弱磁調(diào)速弱磁調(diào)速)；恒轉(zhuǎn)矩負；恒轉(zhuǎn)矩負載，采用恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速方法。載，采用恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速方法。(變電壓或變串變電

37、壓或變串入電阻調(diào)速入電阻調(diào)速)。 這樣匹配，使電機在整個調(diào)速范圍內(nèi)容這樣匹配，使電機在整個調(diào)速范圍內(nèi)容量能充分利用，且量能充分利用，且 Ia=IN 不變，電動機的調(diào)速不變，電動機的調(diào)速轉(zhuǎn)矩與負載一致時，電機容量能充分利用。轉(zhuǎn)矩與負載一致時，電機容量能充分利用。恒功率調(diào)速方式的電動機，若拖動恒轉(zhuǎn)矩負載運行，情況怎樣呢?我們可以使系統(tǒng)在高速運行時負載轉(zhuǎn)矩等于電動機允許轉(zhuǎn)矩，這時電動機電樞電流則等于額定電流IN，電動機得到充分利用。一臺可以弱磁調(diào)速的直流電動機，假如弱磁范圍為0.5 N N,拖到一負載轉(zhuǎn)矩為TL的恒轉(zhuǎn)矩負載運行。低速與高速時負載轉(zhuǎn)矩都一樣大。高速時， = 0.5 N 低速時， = 0

38、.9 N 110.5 0.5LTNaLaNTNTTCITIIC220.9 0.9LTNaLaNTNTTCITIIC2aNII電動機沒能得到充分利用。(這里說明一下，弱磁升速的調(diào)速方式下，所謂低速，對帶額定負載轉(zhuǎn)矩的電動機來講，轉(zhuǎn)速也高于nN)如果拖動恒功率負載，高速時負載轉(zhuǎn)矩TL小，低速時負載轉(zhuǎn)矩TL大。其電樞電流與高速時的電流差不多。拖動恒轉(zhuǎn)矩負載的電動機，若采用恒功率調(diào)速方式，只能按高速運行轉(zhuǎn)速選配合適的電動機，而低速時電動機容量則有所浪費。拖動恒功率負載的電動機，若采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，只能按低速運行轉(zhuǎn)速選配合適的電動機，而高速時電動機容量則有所浪費。3.7 他勵直流電動機的制動一、電動運

39、行與制動運行1. 電動運行改變電動機轉(zhuǎn)向的方法：將電樞繞組兩端的極性保持不變，而將勵磁繞組反接勵磁繞組反接 ；將勵磁繞組兩端的極性保持不變，而將電樞繞組反接電樞繞組反接 。前者較少用，而后者最常用。.電動運行的特點電動運行的特點：電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n同方向同方向； 電動機輸入電能，輸出機械能。電動機克服阻力帶動負載運行叫做電動運行。電動運行的工作區(qū)域為第一象限和第三象限。正向電動運行正向電動運行反向電動運行反向電動運行從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開始減速到停止。從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開始減速到停止。制動方式 自然停車 機械制動 電氣制動 能耗制動 反接制動 回饋制動制動運行的特點制動運行的特點：電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n反方

40、向反方向。.2. 制動運行電動機產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速降低的運動叫做制動運行。制動運行的能量關(guān)系：電動機輸入機械能，輸出電能并轉(zhuǎn)化為熱能。電動機輸入機械能和電能，輸出電能并轉(zhuǎn)化為熱能。電動機輸入機械能，輸出電能且回饋給電網(wǎng)。制動運行的工作區(qū)域為第二象限和第四象限。制動形式制動形式限制位能性負載穩(wěn)定運行下放重物。限制位能性負載穩(wěn)定運行下放重物。.二、能耗制動運行 制動原理外加的電樞電壓U=0，在反電勢Ea的作用下產(chǎn)生電流Ia，其方向與電動運行時相反，進而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T的方向也相反。從而起制動作用。.工作點變動情況：A B O C 在整個制動過程中 U=Ea+Ia (Ra+RB) =0

41、aaaBEIRR aTaBECRR 能耗制動的電流和轉(zhuǎn)矩0U2aBeTRRnTC C aTICT. 能耗制動的機械特性工作點變動情況：A B O.TnOABTL-TLRaC-T1Ra +RBnC但RB不可過分小，以免使T1太大而損壞電動機。一般限制T12TN，或Iamax2IN，從能量的觀點看，能耗制動的能量是由從能量的觀點看，能耗制動的能量是由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，再轉(zhuǎn)變成熱能。機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽俎D(zhuǎn)變成熱能。能耗制動操作簡單，電動機拖動反抗性負載能迅速停車，但在轉(zhuǎn)速降到較低時，制動效果就不太明顯，此時或采用分級切除制動電阻，或采用機械抱閘，以加快制動效果。2aNBNaBEIIRR22aNNBa

42、aNNEURRRII.能耗制動運行能耗制動運行 下放重物下放重物 BOTn 1n0TLA2CA點點B點點O 點點 T = 0， TL0n 反向起動反向起動(n0)E 反向反向(E0) Ia 再次反向再次反向 (Ia0) T 再次反向再次反向 (T0)， n T 反向起動反向起動制動過程制動過程能耗制能耗制動運行動運行 E Ia T = TL (c 點點)。 RB Ia |T | 制動快，停車迅速。制動快，停車迅速。 2()aaIRR他勵直流電動機能耗制動過程中的功率關(guān)系表電磁功率Pem0，也就是在電動機內(nèi)，電磁作用是把機械功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β?；機械功率P20，說明電動機軸上非但沒有輸出機械功率到負

43、載上，反而是負載向電動機輸入了機械功率扣除了空載損耗p0，其余的通過電磁作用轉(zhuǎn)變成電功率了。從電磁功率把機械功率轉(zhuǎn)換為電功率這一點講，能耗制動過程扣電動機好象是一臺發(fā)電機，但與一般發(fā)電機又不相同，表現(xiàn)在：(1)沒有原動機輸入機械功率，其機械能靠的是系統(tǒng)轉(zhuǎn)速從高到低，制動時所釋放出來的動能；(2)電功率沒有輸出，而是消耗在電樞回路的總電阻(Ra+R)上了。能耗制動功率流程圖三、反接制動運行1. 電樞反接的反接制動外加電壓的方向改變了。由于電動機轉(zhuǎn)速n及電樞電勢Ea不能突變，而使外加電壓與電樞電勢Ea極性一致，使得電樞電流的方向發(fā)生改變，從而電磁轉(zhuǎn)矩的方向也改變了，為制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。NaaaBUEIRRNaaaBUEIRR NaTaBUECRR aTICT.當他勵直流電動機的電樞電壓U和電樞電勢Ea之中任意一個在外部條件作用下改變了極性改變了極性時，電動機就處于反接制動狀態(tài)。 制動原理 反接制動時的電流和轉(zhuǎn)矩.2NaBeeTURRnTCC C Tn0這是一條通過（0，n0）點，且電樞回路串電阻R的人為特性曲線。電樞反接的反接制動工作點變動情況：注意：注意：工作點到達C點時，n=0